T/CBWA0028一2024《燃煤性能指標快速檢驗方法激光誘導(dǎo)擊穿光譜法》解讀

Interpretation of T/CBWA 0028-2024， Rapid testing method of coal performance index-Laser induced breakdown spectroscopy

CHEN Xiaoxuan1.2.3.4 LI Ting13.4 LI Zhichun1.2 XIAO Wei1.3.4 HUANG Wenhao1.3.4 LU Weiye1.3.4* （1.Guangdong Instituteof Special Equipment InspectionandResearch ShundeBranch;2.SchoolofElectric Power Enginering，South China UniversityofTechnology;3.National IndustrialBoilerQualityInspectionandTestingCenter Guangdong;4.National Center for CarbonMetrology，Guangdong）

Abstract：TheassociationstandardT/CBWAoo28-2O24，Rapidtestingmethodofcoalperformanceindex—Lasernduced breakdownspectroscopy，wasoffcialleleasedonOctober29，2024.Thispaperprovidesadetailedinterpretationof the standard，coveringitsbackgroundandsignificance，developmentprinciples，maintechnicalcontent，andapplication status.Itaims tohelprelevantpersonnel tobeterunderstand thestandardamongrelevantstakeholders，therebypromoting its widespreadadoption.Thestandard isdesigned toregulatecriticalinks inthermal power enterprises，includingcoal sampling，coalqualitytesting，anddataverification，toenhance themanagementeficiencyandeconomicperformanceof theseenterprises，support thecleanandeffcientutilizationoffosilenergyresources，and improve thestandards system for coal quality testing in the thermal power industry.

Keywords：coal; rapid testing; laser induced breakdown spectroscopy; carbon emission

0 引言

T/CBWA0028—2024《燃煤性能指標快速檢驗方法激光誘導(dǎo)擊穿光譜法》（以下簡稱《燃煤激光快速檢驗法》）于2024年10月29日正式發(fā)布。該標準的提出與制定，是積極貫徹落實國家碳達峰碳中和綠色發(fā)展戰(zhàn)略以及煤電低碳轉(zhuǎn)型要求的關(guān)鍵舉措，旨在為企業(yè)采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜法（Laserinduced breakdownspectroscopy，簡稱LIBS）開展燃煤性能指標快速檢驗工作提供指導(dǎo)。本文結(jié)合標準條文，深人剖析了采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜法進行燃煤性能指標快速檢驗的主要技術(shù)要求，著重闡明標準的理解要點與應(yīng)用關(guān)鍵，為相關(guān)企業(yè)及從業(yè)人員提供清晰的實踐指引，進而推動該標準在行業(yè)內(nèi)有效和廣泛的實施，推動能源行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型升級。

1標準制定的背景和意義

我國“雙碳”目標的實施對能源的高效低污利用提出了更高的要求[]，當前以煤電為主的能源格局仍將持續(xù)較長時間[2]。2024年我國能源消費總量為59.7億噸標準煤，其中煤炭消費占比高達54%^[3] ，由此產(chǎn)生的溫室氣體排放量巨大。要實現(xiàn)“雙碳”目標，準確計算與核查用煤企業(yè)的溫室氣體排放是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[4]。碳平衡法作為目前國際認可的碳排放監(jiān)測方法之一[5]，其碳排放量計算結(jié)果主要取決于煤質(zhì)參數(shù)的準確性。傳統(tǒng)的煤質(zhì)檢測主要基于化學(xué)分析方法，然而，該方法存在檢測周期較長、人為影響因素高等局限性，難以滿足用煤企業(yè)對實時掌握碳數(shù)據(jù)的迫切需求。因此，發(fā)展一種能夠快速獲取煤質(zhì)指標的標準檢測方法具有重要意義。

近年來，激光誘導(dǎo)擊穿光譜法受到廣泛關(guān)注，GB/T38257—2019《激光誘導(dǎo)擊穿光譜法》對激光誘導(dǎo)擊穿光譜法的基本原理、試驗條件、設(shè)備及裝置、樣品處理、試驗步驟、數(shù)據(jù)處理等流程進行了規(guī)范。在煤質(zhì)分析應(yīng)用方面，國內(nèi)外的多項研究均驗證了該方法在檢測煤元素含量及工業(yè)分析等方面的可行性[7-9]，但尚未形成統(tǒng)一的標準規(guī)范。因此本標準基于煤質(zhì)快速檢測的迫切需求，提出一種將激光誘導(dǎo)擊穿光譜法應(yīng)用于煤質(zhì)快速檢測的方法。該方法可全面涵蓋煤質(zhì)檢測要求的主要元素（碳、氫、氮、全硫元素含量）及工業(yè)指標（灰分、揮發(fā)分、發(fā)熱量）全范圍，有助于進一步完善煤質(zhì)檢測標準體系。

2標準的編制原則

2.1規(guī)范性原則

《燃煤激光快速檢驗法》根據(jù)《中華人民共和國標準化法》及其《實施細則》，以及GB/T1.1—2020《標準化工作導(dǎo)則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》進行編制。

2.2適用性原則

本標準適用于燃煤中碳、氫、氮、全硫元素含量以及灰分、揮發(fā)分、發(fā)熱量等煤質(zhì)指標的快速檢測。

2.3可行性原則

本標準制定以《碳排放核查與監(jiān)測服務(wù)平臺建設(shè)及相關(guān)技術(shù)研究》《燃料端碳排放數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究及平臺開發(fā)》等科研項目系列成果作為基礎(chǔ)。目前上述科研項目均已取得階段性成果，研發(fā)了激光誘導(dǎo)擊穿光譜煤質(zhì)快速分析設(shè)備，且在多個燃煤發(fā)電企業(yè)建立了應(yīng)用試點，該試點已經(jīng)連續(xù)無故障運行超過2年，具有較高的可行性。

3 標準主要技術(shù)內(nèi)容

《燃煤激光快速檢驗法》的整體結(jié)構(gòu)按照一般的標準結(jié)構(gòu)編排，內(nèi)容主要包括范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、原理、試驗條件、儀器、樣品采

集制備、定標模型的建立與驗證、樣品測定、結(jié)果報告、方法重復(fù)性、方法準確度，共12章。

3.1激光誘導(dǎo)擊穿光譜煤質(zhì)快速分析儀的原理

本章節(jié)對采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)實現(xiàn)燃煤性能指標快速檢驗的原理進行了概述。激光器發(fā)出的脈沖激光聚焦至煤樣表面并燒蝕樣品產(chǎn)生等離子體，等離子體的發(fā)射光譜數(shù)據(jù)由探測器采集；根據(jù)煤樣光譜數(shù)據(jù)與煤質(zhì)指標之間的相關(guān)關(guān)系建立線性或非線性關(guān)系，建立多個煤樣的定標模型，即可實現(xiàn)對煤的碳、氫、氮、全硫元素含量以及灰分、揮發(fā)分、發(fā)熱量的快速定量分析。

3.2試驗條件

本章節(jié)規(guī)范了激光誘導(dǎo)擊穿光譜燃煤性能指標快速檢驗的試驗條件。按照測試或應(yīng)用的要求，在進行煤樣元素含量或特性指標定量分析時，應(yīng)注明環(huán)境的具體參數(shù)（氣氛、壓力、溫度、濕度等）及變化范圍。儀器應(yīng)避免放置在振動、高粉塵、強氣流、酸堿等腐蝕及強電磁場的環(huán)境。保持儀器供電電壓、頻率穩(wěn)定，接地良好。試驗人員應(yīng)嚴格按照GB7247.1—2024的要求做好激光安全防護。

3.3儀器

本章節(jié)規(guī)范了儀器的構(gòu)成及使用方法，激光誘導(dǎo)擊穿光譜煤質(zhì)快速分析儀應(yīng)由進樣系統(tǒng)、激光器、光譜儀、光學(xué)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)構(gòu)成，用于在煤樣上激發(fā)等離子體、探測等離子體譜線信號，加以分析處理并獲得煤樣各測試指標的集成光學(xué)分析儀器。

進樣系統(tǒng)用于將待測樣品輸送至激光聚焦區(qū)域，能夠保證樣品處于可持續(xù)激發(fā)位置。激光器采用脈沖寬度1ns量級的固體激光器，聚焦在煤樣表面的超短脈沖激光能夠迅速燒蝕樣品表面并激發(fā)出等離子體，激光能量的相對標準偏差應(yīng)不大于 5% 。

光譜儀的波長測量范圍和分辨率應(yīng)滿足對C、H、O、N、 Mg 、Si、Ca、Al、Na和K等元素特征譜線識別的需求。宜采用標準光源對光譜儀進行光強校準。

光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)同時具有將激光器發(fā)出的激光聚焦至樣品表面以及將等離子體輻射光耦合進光譜儀的功能。光學(xué)聚焦元件的尺寸應(yīng)大于激光器光斑直徑，所有聚焦元件對應(yīng)激光波長的透過率應(yīng)不低于 95% ，聚焦后激光功率應(yīng)能夠激發(fā)出樣品的等離子體。

控制系統(tǒng)實現(xiàn)激光器和光譜儀的時序控制，對光譜儀信號采集的延遲時間、門寬、積分時間等參數(shù)進行設(shè)定，激光器實際產(chǎn)生激光與光譜儀采集之間的時間控制誤差宜控制在1ns以內(nèi)。

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實現(xiàn)等離子體光譜數(shù)據(jù)的收集、存儲、處理，以及進行煤樣元素含量和特性指標的定量分析。

3.4定標模型的建立與驗證

本章節(jié)規(guī)范了反映樣品激光誘導(dǎo)擊穿光譜與煤質(zhì)分析指標之間關(guān)系的定標模型的建立與驗證方法和要求。定標模型可采用單變量定標、多變量定標等方法進行建立，將預(yù)處理后的光譜輸入定標模型，計算出待分析指標的測定值。

使用驗證樣品集驗證定標模型的準確性和重復(fù)性，應(yīng)用建好的定標模型進行檢測，采用標準規(guī)定方法測定其標準測定值，激光誘導(dǎo)擊穿光譜法與標準方法的測定結(jié)果之差應(yīng)滿足表1的要求，

3.5樣品測定

本章節(jié)規(guī)范了樣品測定的流程。首先用戶開機預(yù)熱，將測量系統(tǒng)通電，確認各軟硬件處于正常工作狀態(tài)。檢測前宜將儀器預(yù)熱，以確保激光器、光譜儀等達到穩(wěn)定狀態(tài)。進行儀器設(shè)置，測定樣品時，試驗條件和激光誘導(dǎo)擊穿光譜煤質(zhì)快速分析儀的參數(shù)設(shè)置應(yīng)當與測定定標樣品集、驗證樣品集時保持一致。上機測試，當儀器達到穩(wěn)定狀態(tài)后，準備上機測試，將制備的煤樣置于進樣系統(tǒng)中，進行測試分析。

4 標準應(yīng)用情況

該標準適用于基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜法（LIBS）的燃煤性能指標快速檢測。目前，標準起草單位已開發(fā)了基于LIBS技術(shù)的煤質(zhì)快速分析設(shè)備，并在數(shù)家火力發(fā)電企業(yè)中得到應(yīng)用，主要用于燃煤熱值和含碳量的快速檢測。結(jié)果表明，該標準的實施顯著提升了煤質(zhì)參數(shù)的檢測效率與準確性，為碳排放數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與核查提供了可靠依據(jù)，有效支持了企業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型，具有廣泛的應(yīng)用前景。

5結(jié)語

《燃煤性能指標快速檢驗方法激光誘導(dǎo)擊穿光譜法》標準的制定與實施，填補了我國在燃煤性能指標快速檢驗領(lǐng)域的標準空白，為火力發(fā)電企業(yè)實現(xiàn)燃煤性能指標的高效、準確檢測提供了科學(xué)、系統(tǒng)的方法論。通過激光誘導(dǎo)擊穿光譜法，企業(yè)能夠快速獲取煤質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)，如碳、氫、氮、全硫元素含量以及灰分、揮發(fā)分、發(fā)熱量等，從而提高能源利用效率，降低污染物排放，為實現(xiàn)火電行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型奠定堅實基礎(chǔ)。通過宣貫、實施本標準，能夠有效規(guī)范火力發(fā)電企業(yè)煤樣采制、煤質(zhì)檢測、數(shù)據(jù)核驗等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提高火電企業(yè)的相關(guān)管理水平和經(jīng)濟效益，助力化石能源清潔高效開發(fā)利用，完善火電行業(yè)煤質(zhì)檢測標準體系。

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（責任編輯：馬磊）